伺服電機用高性能電工鋼產(chǎn)品技術(shù)解析

高振宇，孟昭萍，陳春梅，羅理，劉文鵬，趙健，李亞東

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司，遼寧 鞍山 114021）

新時代產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命進一步加速了制造業(yè)向自動化、智能化轉(zhuǎn)變。作為智能化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，伺服電機系統(tǒng)在各行各業(yè)得到廣泛應用，其中高分辨率傳感器,高精度合金鑄件、加工及裝配，高性能電工鋼及稀土永磁材料，成為伺服電機“一條龍”產(chǎn)業(yè)鏈條中的重要組成部分。特別是在機器人、數(shù)控機床等精密伺服電機應用行業(yè)中，高性能電工鋼已成為提高效率，提升可靠性及響應性，推進數(shù)控及智能化升級的關(guān)鍵性材料。鞍鋼作為工業(yè)強基工程中伺服電機應用項目的示范單位,負責高性能電工鋼材料的研制開發(fā)，為國內(nèi)伺服電機制造企業(yè)提供滿足鐵芯加工的高性能電工鋼產(chǎn)品。

1 伺服電機對高性能電工鋼產(chǎn)品的要求

高牌號無取向電工鋼產(chǎn)品作為一種重要的功能性軟磁材料，在電機旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的設(shè)計中依然遵循著損耗低，磁感應強度高，磁各向異性小，沖片性良好，疊裝系數(shù)高，絕緣涂層性能好，以及磁時效小等電工鋼通用特性。而從需求上，伺服電機更多體現(xiàn)在對高牌號薄規(guī)格品種的個性化磁特性要求。依據(jù)其工作原理及運行技術(shù)特點[1]，從材料研發(fā)平臺上，初步對應出伺服電機用高性能電工鋼產(chǎn)品技術(shù)需求如下。

（1）產(chǎn)品小型化、高效化，封閉式運行——材料應力敏感性小，沖制特性優(yōu)異，層間高絕緣性、自粘結(jié)特性（減少鉚、扣、栓及焊接所帶來的加工區(qū)對磁化區(qū)的影響）及低損耗低溫升；

（2）矩頻、變頻及脈沖信號控制——材料具備高的最大磁導率、高的飽和磁極化密度指標；

（3）高磁密設(shè)計，高響應性要求——材料具有高的初始磁導率，磁化區(qū)間較高的磁導率和磁極化密度，抗變形能力強，在高場強、高轉(zhuǎn)速、相對溫升、大扭矩等復合應力作用下，能保持高的抗變形能力；

（4）低噪音要求——材料磁化進程快、磁滯伸縮及磁各向同性指標優(yōu)異等。

高端精密伺服電機在鐵芯材料設(shè)計上，針對高性能電工鋼產(chǎn)品提出了更加嚴格的綜合性能指標及要求。工信廳規(guī)函[2018]425號文件中，伺服電機鐵芯制造所需硅鋼應滿足絕緣性能良好、自粘結(jié)特性、厚度精度高、屈服性能高、鐵損低、磁感高、磁導率高等要求。伺服電機用高性能電工鋼產(chǎn)品厚度規(guī)格以0.35 mm、0.30 mm為主，其通用技術(shù)條件如表1所示。

表1 伺服電機用高性能電工鋼的通用技術(shù)條件

2 伺服電機專用高性能電工鋼生產(chǎn)技術(shù)解析

高性能電工鋼材料性能取決于冶金工藝下對電工鋼成分、組織及晶體結(jié)構(gòu)的控制。以高等級高牌號生產(chǎn)流程和工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，有針對性地進行鋼種設(shè)計，提升鋼質(zhì)潔凈度，加嚴工藝窗口，對宏觀及微觀組織進行調(diào)控，滿足伺服電機基礎(chǔ)性能需求；再通過應用技術(shù)研究，不斷優(yōu)化冶金生產(chǎn)工藝，滿足高端精密伺服電機的發(fā)展需求。

2.1 產(chǎn)品設(shè)計要點

基于精密伺服電機工作特性及對高性能電工鋼材料的要求，產(chǎn)品鋼種體系設(shè)計選擇以硅為主體合金元素。首要考慮因素為提升產(chǎn)品初始磁導率，增加電機鐵芯運轉(zhuǎn)響應性；輔以不同含量鋁元素進行鋼質(zhì)電阻率的提升，以滿足低損耗運轉(zhuǎn)要求；再根據(jù)冶金工藝控制能力及鐵芯加工特性，進行其它微量合金元素的添加及控制。

優(yōu)異的電磁性能和磁化特性還體現(xiàn)在鋼質(zhì)潔凈度，即對有害元素及殘余元素含量的控制，這也是高性能電工鋼材料研制及發(fā)展的基礎(chǔ)[2]。高性能電工鋼產(chǎn)品鋼質(zhì)潔凈度控制指標如表2所示。

表2 高性能電工鋼產(chǎn)品鋼質(zhì)潔凈度控制指標（質(zhì)量分數(shù)） %

2.2 工藝流程

伺服電機用高性能電工鋼產(chǎn)品在鋼鐵聯(lián)合生產(chǎn)企業(yè)中，現(xiàn)仍同于高等級高牌號鋼的生產(chǎn)工藝流程，即鐵水預處理—轉(zhuǎn)爐冶煉—真空精煉—板坯連鑄—熱軋—?；八嵯础滠垺善窡崽幚砑巴拷^緣層—綜合性能檢驗—切邊分卷—包裝入庫。

2.3 冶金工藝技術(shù)研究

有效控制長流程冶金工藝參數(shù)是獲得高性能電工鋼產(chǎn)品的保障，為此，需進行全系統(tǒng)工序下各工藝技術(shù)參數(shù)的研究[3]。高性能電工鋼產(chǎn)品主要工藝控制技術(shù)見表3。

2.4 冶金機理特征研究

冶金材料機理及內(nèi)稟特性研究是產(chǎn)品開發(fā)的基礎(chǔ)，可以指導產(chǎn)品在特定工序流程下的工藝設(shè)計及優(yōu)化，伺服電機所需高性能電工鋼材料的主要機理研究內(nèi)容如下。

（1）主體合金及微合金設(shè)計，有害及殘余元素對組織、磁化進程和磁特性的影響；

（2）冶金凝固及后續(xù)加工中組織與晶體結(jié)構(gòu)的形成機制及演變規(guī)律；

（3）產(chǎn)品動力學、熱力學參數(shù)與全流程工藝窗口控制關(guān)系；

（4）冶金全流程析出物與夾雜物的演變規(guī)律及對宏觀、微觀組織影響；

（5）高硅熱軋板組織與冷軋加工硬化、脆塑性轉(zhuǎn)變、裂紋形成與發(fā)展等規(guī)律。

表3 高性能電工鋼產(chǎn)品主要工藝控制技術(shù)

2.5 產(chǎn)品應用技術(shù)研究

產(chǎn)品應用技術(shù)研究是產(chǎn)品研制過程中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)所處平臺不一，產(chǎn)品特性關(guān)注點不同。只有雙方有效技術(shù)融合，在諸多矛盾的控制指標中尋求“共性”，才能發(fā)揮各自優(yōu)勢，促進產(chǎn)業(yè)鏈整體技術(shù)提升。

強基工程“一條龍”應用計劃中也提倡上下游企業(yè)、研發(fā)及設(shè)計部門間的合作與推進。為此，需在以下幾方面開展應用技術(shù)研究，促進產(chǎn)品定型，并結(jié)合雙方潛在的發(fā)展需求及工藝能力相互協(xié)作，進行高端產(chǎn)品研制：

（1）產(chǎn)品沖制及加工特性，疊裝性能，涂層自粘結(jié)工藝，材質(zhì)加工應力敏感性，變速變轉(zhuǎn)矩條件下功能因子變化等；

（2）不同品種、規(guī)格產(chǎn)品磁化特性——不同頻率、場強下，磁化進程特性、耐磁偏轉(zhuǎn)特性及鐵芯損耗要求等；

（3）信號應答性及步進精度，過載及堵轉(zhuǎn)溫升，轉(zhuǎn)速及功率等綜合指標的對比分析；電控及鐵芯再優(yōu)化設(shè)計及材質(zhì)磁化特性再改進。

3 鞍鋼電工鋼現(xiàn)狀及伺服電機用鋼原型產(chǎn)品性能分析

精密伺服電機所需高性能電工鋼材料目前尚未形成相應的產(chǎn)品標準，現(xiàn)高技術(shù)領(lǐng)域（智能機器人、高精數(shù)控機床、精準注塑機等）往往采用進口專用電工鋼產(chǎn)品進行伺服電機的設(shè)計及生產(chǎn)。針對其工作特征，擬初期在無取向高牌號薄規(guī)格硅鋼品種的基礎(chǔ)上，進行再設(shè)計及優(yōu)化。

3.1 研究現(xiàn)狀及存在的問題

2008年鞍鋼高性能硅鋼工程一期試驗性產(chǎn)線試車，同期開始高牌號產(chǎn)品試制，現(xiàn)基本達到了國標產(chǎn)品牌號全覆蓋。但因試驗性產(chǎn)線各機組產(chǎn)能的不匹配和當期的產(chǎn)品定位，薄規(guī)格產(chǎn)品僅35AW270以下牌號進行了批量生產(chǎn)及市場推廣，產(chǎn)品主要應用于變頻壓縮機制造領(lǐng)域。高級別高牌號系列產(chǎn)品尚未實現(xiàn)量產(chǎn)，0.35 mm規(guī)格產(chǎn)品電磁性能及力學性能典型值分別見表4和表5。

表4 0.35 mm規(guī)格產(chǎn)品電磁性能典型值

表5 0.35 mm規(guī)格產(chǎn)品力學性能典型值

對比同行業(yè)寶鋼、武鋼、太鋼及首鋼無取向高牌號硅鋼品種，鞍鋼在高牌號薄規(guī)格常規(guī)產(chǎn)品品種全覆蓋方面及新能源汽車驅(qū)動電機專用高頻高磁感型、高強型、低鐵損型系列產(chǎn)品的起步、研制等方面均存在一定的差距。并且產(chǎn)品涂層方面現(xiàn)僅為半有機薄涂層，與同行業(yè)多種涂層類型產(chǎn)品存在明顯差異。精密伺服電機用高性能電工鋼材料因產(chǎn)品個性化（磁化特征所需）、規(guī)格非標準化（如機器人伺服電機）、產(chǎn)品綜合質(zhì)量“高精尖”化等因素限制，尚未形成專用產(chǎn)品的標準體系。

鞍鋼常規(guī)品種（性能如前所述）與伺服電機行業(yè)需求仍存在較大差異，作為此項目中的示范企業(yè)，鞍鋼在此應用領(lǐng)域更應加快步伐，不再跟隨同行業(yè)，借此領(lǐng)域產(chǎn)品的研制，提升鞍鋼無取向硅鋼全系列產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.2 原型產(chǎn)品典型性能指標

針對精密伺服電機對高性能電工鋼材料的需求，在高等級高牌號產(chǎn)品研發(fā)基礎(chǔ)上，進行了兩個原型產(chǎn)品的設(shè)計及工業(yè)試驗。限于產(chǎn)品的檢測手段，只進行了典型磁性能指標及磁化進程特征的測試分析。原型產(chǎn)品典型電磁性能及力學性能指標情況如表6、表7所示，主要性能指標（P1.5/50）已達到表1標準。

表6 原型產(chǎn)品典型電磁性能

表7 原型產(chǎn)品典型力學性能

結(jié)合整體工藝控制偏差，從表6磁性能上分析，產(chǎn)品鐵損指標仍有設(shè)計調(diào)整余地，磁極化密度在成分微調(diào)及工藝窗口調(diào)整上還有提升空間。表7中力學性能指標上已達到高強磁軛設(shè)計要求，有待加工及進行高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子組裝測試。

3.3 原型產(chǎn)品典型磁化特征

兩種原型試驗產(chǎn)品鐵損曲線及磁化曲線分別如圖1、圖2所示，測量標準為GB/T3655 2008，密度為7.65 g/cm3。從磁化特征上分析仍未脫離現(xiàn)有高等級高牌號品種體系，對照表1中P1.5指標雖已達到要求，但初始磁導率及最大磁導率性征急需與伺服電機設(shè)計人員進行技術(shù)交流及鐵芯測試驗證。

圖1 兩種原型試驗產(chǎn)品鐵損曲線

圖2 兩種原型試驗產(chǎn)品磁化曲線

試驗工藝上，原型產(chǎn)品磁性指標及磁化特性雖有調(diào)整空間，但成分、組織與特定磁化條件下的磁性能關(guān)系、與磁化進程關(guān)系，仍需深入進行機理及應用技術(shù)研究后，有針對性地產(chǎn)品優(yōu)化、定型及系列化專用品種的研制，以滿足高端精密伺服電機需求。

3.4 多種涂層產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)

結(jié)合現(xiàn)階段市場發(fā)展及戰(zhàn)略用戶需求，鞍鋼高層間電阻涂層、自粘結(jié)涂層已立項研究，自粘結(jié)涂層已進入常規(guī)用戶裝機及應用研究階段，均已為精密伺服電機用高性能電工鋼材料的生產(chǎn)做好了技術(shù)準備。

4 結(jié)語

伺服電機用高性能電工鋼產(chǎn)品的研發(fā)及定型，仍需上下游企業(yè)、設(shè)計、研發(fā)單位大量的技術(shù)投入。其雖屬“小眾”品種，但關(guān)系到國家基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展及智能化進程，關(guān)鍵部件及重點材料國產(chǎn)化，不受限、不被卡、不受制約是各行業(yè)領(lǐng)導及研發(fā)、設(shè)計人員協(xié)作創(chuàng)新，努力開拓的目標及動力。

伺服電機種類繁多，應用領(lǐng)域及特性要求各有差異，先期高性能電工鋼產(chǎn)品應重點結(jié)合用戶要求，掌握產(chǎn)品設(shè)計要點后再以高端精密伺服電機需求為核心，進行品種的系列化、專業(yè)化研制，為此需要做好以下方面的技術(shù)準備工作。

（1）充分利用國家部門伺服電機“一條龍”項目推動平臺，廣泛開展技術(shù)交流與合作；

（2）各企業(yè)、單位重視，加強技術(shù)力量投入及測試裝備、研發(fā)手段的建設(shè)；

（3）在工藝及技術(shù)創(chuàng)新的同時，發(fā)揮工藝裝備能力的潛力，打破常規(guī)生產(chǎn)控制理念，以高性能高端產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)為契機，帶動產(chǎn)業(yè)能力、操控及技術(shù)水平的提升。